25/08/05De inteligentaj telefonoj ĝis sciencaj instrumentoj, bildsensiloj estas la koro de la hodiaŭa vida teknologio. Inter ĉi tiuj, CMOS-sensiloj fariĝis la domina forto, funkciigante ĉion de ĉiutagaj fotoj ĝis progresinta mikroskopio kaj semikonduktaĵa inspektado.
La teknologio "Komplementa Metala Oksida Semikonduktaĵo" (CMOS) estas elektronika arkitekturo kaj aro de fabrikadaj procezoj, kies aplikoj estas nekredeble vastaj. Efektive, oni povus diri, ke CMOS-teknologio subtenas la modernan ciferecan epokon.
Kio estas CMOS-sensilo?
CMOS-bildsensiloj (CIS) uzas aktivajn pikselojn, kio signifas la uzon de tri aŭ pli da transistoroj en ĉiu pikselo de la fotilo. CCD kaj EMCCD pikseloj ne enhavas transistorojn.
La transistoroj en ĉiu pikselo ebligas kontroli ĉi tiujn "aktivajn" pikselojn, amplifiki signalojn per "kampefikaj" transistoroj, kaj aliri iliajn datumojn, ĉio paralele. Anstataŭ ununura legvojo por tuta sensilo aŭ signifa frakcio de sensilo,CMOS-fotiloinkluzivas almenaŭ unu tutan vicon de legaj ADC-oj, unu (aŭ pli) ADC-oj por ĉiu kolumno de la sensilo. Ĉiu el ĉi tiuj povas legi la valoron de sia kolumno samtempe. Plue, ĉi tiuj sensiloj "aktivaj pikseloj" estas kongruaj kun CMOS-cifereca logiko, pliigante la eblan sensoran funkcionalecon.
Kune, ĉi tiuj kvalitoj donas al CMOS-sensiloj ilian rapidecon. Tamen, danke al ĉi tiu pliigo de paralelismo, individuaj ADC-oj kapablas preni pli da tempo por mezuri siajn detektitajn signalojn kun pli da precizeco. Ĉi tiuj pli longaj konvertaj tempoj ebligas tre malbruan funkciadon, eĉ por pli altaj pikselaj nombroj. Danke al ĉi tio, kaj aliaj novigoj, la legada bruo de CMOS-sensiloj emas esti ĝis 5-oble - 10-oble pli malalta ol tiu de CCD-oj.
Modernaj sciencaj CMOS (sCMOS) fotiloj estas specialigita subtipo de CMOS desegnita por malbrua kaj altrapida bildigo en esploraplikoj.
Kiel Funkcias CMOS-Sensiloj? (Inkluzive de Ruliĝanta kontraŭ Tutmonda Obturatoro)
La funkciado de tipa CMOS-sensilo estas montrita en la figuro kaj skizita sube. Notu, ke pro la funkciaj diferencoj sube, la tempigo kaj funkciado de eksponado diferencos por tutmondaj kontraŭ rulobturatoraj CMOS-fotiloj.
Figuro: Legprocezo por CMOS-sensilo
NOTOLa legprocezo por CMOS-fotiloj malsamas inter fotiloj kun "rulanta obturatoro" kaj "tutmonda obturatoro", kiel diskutite en la teksto. En ambaŭ kazoj, ĉiu pikselo enhavas kondensilon kaj amplifilon, kiuj produktas tension bazitan sur la detektita nombro de fotoelektronoj. Por ĉiu vico, la tensioj por ĉiu kolumno estas mezuritaj samtempe per kolumnaj analogaj al ciferecaj konvertiloj.
Ruliĝanta obturatoro
1. Por CMOS-sensilo kun ruliĝanta obturatoro, komencante ĉe la supra vico (aŭ centro por dividitaj sensoraj fotiloj), forigu la ŝargon de la vico por komenci la eksponadon de tiu vico.
2. Post kiam la 'linia tempo' pasis (tipe 5-20 μs), iru al la sekva vico kaj ripetu de paŝo 1, ĝis la tuta sensilo estas eksponita.
3. Por ĉiu vico, ŝargoj akumuliĝas dum la eksponado, ĝis tiu vico finis sian eksponan tempon. La unua vico kiu komencas finiĝos unue.
4. Post kiam la eksponado finiĝas por vico, transdonu ŝargojn al la kondensilo kaj amplifilo.
5. La tensio en ĉiu amplifilo en tiu vico estas poste konektita al la kolumna ADC, kaj la signalo estas mezurata por ĉiu pikselo en la vico.
6. La operacio de legado kaj restarigo bezonos la "linian tempon" por kompletiĝi, post kio la sekva vico por komenci eksponadon atingos la finon de sia ekspontempo, kaj la procezo ripetiĝos de paŝo 4.
7. Tuj kiam la legado finiĝas por la supra vico, kondiĉe ke la malsupra vico komencis eksponi la nunan kadron, la supra vico povas komenci la eksponadon de la sekva kadro (interkovra reĝimo). Se la ekspona tempo estas pli mallonga ol la kadra tempo, la supra vico devas atendi ĝis la malsupra vico komencu la eksponadon. La plej mallonga ebla ekspono estas tipe unu liniotempo.
La malvarmigita CMOS-fotilo FL 26BW de Tucsen, havanta la sensilon Sony IMX533, uzas ĉi tiun ruliĝantan obturatorteknologion.
Tutmonda Obturatoro
1. Por komenci la akiron, ŝargo estas samtempe forigita de la tuta sensilo (tutmonda restarigo de la piksela puto).
2. Ŝarĝo akumuliĝas dum eksponiĝo.
3. Ĉe la fino de la eksponado, kolektitaj ŝargoj estas movitaj al maskita puto ene de ĉiu pikselo, kie ili povas atendi legadon sen ke novaj detektitaj fotonoj estu kalkulataj. Kelkaj fotiloj movas ŝargojn en la pikselan kondensilon en ĉi tiu stadio.
4. Kun la detektitaj ŝargoj konservitaj en la maskita areo de ĉiu pikselo, la aktiva areo de la pikselo povas komenci la eksponadon de la sekva kadro (interkovra reĝimo).
5. La procezo de legado el la maskita areo daŭras kiel por rulŝpurilaj sensiloj: Unu vico samtempe, de la supro de la sensilo, ŝargoj estas transdonitaj de la maskita puto al la legkondensatoro kaj amplifilo.
6. La tensio en ĉiu amplifilo en tiu vico estas konektita al la kolumna ADC, kaj la signalo estas mezurata por ĉiu pikselo en la vico.
7. La operacio de legado kaj restarigo bezonos la "linian tempon" por kompletiĝi, post kio la procezo ripetiĝos por la sekva vico de paŝo 5.
8. Post kiam ĉiuj vicoj estas legitaj, la fotilo pretas legi la sekvan kadron, kaj la procezo povas esti ripetata de paŝo 2, aŭ paŝo 3 se la ekspontempo jam pasis.
La Libra 3412M Mono sCMOS-fotilo de Tucsenutiligas tutmondan obturatorteknologion, ebligante klaran kaj rapidan kapton de moviĝantaj specimenoj.
Avantaĝoj kaj Malavantaĝoj de CMOS-Sensiloj
Avantaĝoj
● Pli altaj rapidojCMOS-sensiloj estas tipe 1 ĝis 2 grandordojn pli rapidaj en datumtrairo ol CCD- aŭ EMCCD-sensiloj.
● Pli grandaj sensilojPli rapida datentrairo ebligas pli altajn pikselajn nombrojn kaj pli grandajn vidkampojn, ĝis dekoj aŭ centoj da megapikseloj.
● Malalta bruoKelkaj CMOS-sensiloj povas havi legbruon eĉ nur 0.25e-, rivalante kun EMCCD-oj sen bezono de ŝarga multipliko, kiu aldonas pliajn bruofontojn.
● Fleksebleco de piksela grandecoKonsumantaj kaj inteligentaj telefonoj fotilsensiloj malpliigas pikselgrandecojn ĝis ~1 μm, kaj sciencaj fotiloj ĝis 11 μm en piksela grandeco estas oftaj, kaj ĝis 16 μm haveblas.
● Pli malalta energikonsumoLa malaltaj potencpostuloj de CMOS-fotiloj ebligas ilian uzon en pli vasta gamo da sciencaj kaj industriaj aplikoj.
● Prezo kaj vivdaŭroMalaltkvalitaj CMOS-fotiloj estas tipe similaj aŭ malpli multekostaj ol CCD-fotiloj, kaj altkvalitaj CMOS-fotiloj estas multe pli malmultekostaj ol EMCCD-fotiloj. Ilia atendata vivdaŭro devus vaste superi tiun de EMCCD-fotilo.
Malavantaĝoj
● Rulanta obturatoroLa plimulto de sciencaj CMOS-fotiloj havas ruliĝantan obturatoron, kiu povas aldoni kompleksecon al eksperimentaj laborfluoj aŭ ekskludi iujn aplikojn.
● Pli alta malhela kurzot: Plej multaj CMOS-fotiloj havas multe pli altan malluman kurenton ol CCD- kaj EMCCD-sensiloj, foje enkondukante signifan bruon dum longaj eksponoj (> 1 sekundo).
Kie CMOS-Sensiloj Estas Uzataj Hodiaŭ
Dank'al sia versatileco, CMOS-sensiloj troviĝas en vasta gamo da aplikoj:
● Konsumelektroniko: Poŝtelefonoj, retkameraoj, DSLR-fotiloj, agokameraoj.
● VivsciencojCMOS-sensiloj potencomikroskopaj fotilojuzata en fluoreska bildigo kaj medicinaj diagnozoj.
● AstronomioTeleskopoj kaj spacaj bildigaj aparatoj ofte uzas sciencan CMOS (sCMOS) por alta distingivo kaj malalta bruo.
● Industria InspektadoAŭtomata optika inspektado (AOI), robotiko, kajfotiloj por semikonduktaĵa inspektadofidi je CMOS-sensiloj por rapideco kaj precizeco.
● AŭtomobilaAltnivelaj Ŝoforasistaj Sistemoj (ADAS), malantaŭaj vidaj kaj parkumaj fotiloj.
● Gvatado kaj SekurecoSistemoj por detekto de malalta lumo kaj moviĝo.
Ilia rapideco kaj kostefikeco faras CMOS la plej taŭgan solvon por kaj altvolumena komerca uzo kaj specialigita scienca laboro.
Kial CMOS Nun Estas la Moderna Normo
La ŝanĝo de CCD al CMOS ne okazis subite, sed ĝi estis neevitebla. Jen kial CMOS nun estas la bazŝtono de la bildiga industrio:
● Fabrikada AvantaĝoKonstruita sur normaj duonkonduktaĵaj fabrikadlinioj, reduktante kostojn kaj plibonigante skaleblon.
● Plibonigoj de rendimento: Ruliĝantaj kaj tutmondaj obturatoraj opcioj, plibonigita sentiveco en malalta lumo kaj pli altaj bildfrekvencoj.
● Integriĝo kaj InteligentecoCMOS-sensiloj nun subtenas sur-ĉipan AI-prilaboradon, randkomputikon kaj realtempan analizon.
● NovigadoEmerĝantaj sensiloj kiel staplitaj CMOS, kvantaj bildsensiloj kaj kurbaj sensiloj estas konstruitaj sur CMOS-platformoj.
De inteligentaj telefonoj ĝissciencaj fotiloj, CMOS pruviĝis esti adaptebla, potenca kaj estonteco-preta.
Konkludo
CMOS-sensiloj evoluis al la moderna normo por plej multaj bildigaj aplikoj, danke al sia ekvilibro inter rendimento, efikeco kaj kosto. Ĉu kaptante ĉiutagajn memorojn aŭ farante altrapidajn sciencajn analizojn, CMOS-teknologio provizas la fundamenton por la hodiaŭa vida mondo.
Ĉar novigoj kiel tutmonda obturatora CMOS kaj sCMOS daŭre vastigas la kapablojn de la teknologio, ĝia domineco daŭros dum la venontaj jaroj.
Oftaj demandoj
Kio estas la diferenco inter rulanta obturatoro kaj tutmonda obturatoro?
Rulanta obturatoro legas bilddatumojn linion post linio, kio povas kaŭzi moviĝartefaktojn (ekz., oblikvan aŭ ŝanceliĝantan) dum kaptado de rapide moviĝantaj subjektoj.
Tutmonda obturatoro kaptas la tutan kadron samtempe, forigante distordon pro moviĝo. Ĝi estas ideala por altrapidaj bildigaj aplikoj kiel maŝinvido kaj sciencaj eksperimentoj.
Kio estas la Ruliĝanta Obturatora CMOS-Interkovra Reĝimo?
Por CMOS-fotiloj kun ruliĝanta obturatoro, en interkovrreĝimo, la eksponado de la sekva kadro povas komenciĝi antaŭ ol la nuna plene finiĝis, permesante pli altajn bildfrekvencojn. Ĉi tio eblas ĉar la eksponado kaj legado de ĉiu vico estas ŝtupigitaj en tempo.
Ĉi tiu reĝimo estas utila en aplikoj kie maksimuma bildfrekvenco kaj trairo estas kritikaj, ekzemple en altrapida inspektado aŭ realtempa spurado. Tamen, ĝi povas iomete pliigi la kompleksecon de tempigo kaj sinkronigado.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Ĉiuj rajtoj rezervitaj. Kiam vi citas, bonvolu agnoski la fonton:www.tucsen.com
